0 引 言

对开泥驳作为航道疏浚与整治、水利工程、海洋开发及海港建设的主要工具，具有自卸载能力强、结构简单、装卸货效率高等显著特点[1]。由于疏浚工程作业环境复杂，再加上工程量大，泥驳在航行和作业时可能会遇到很多设计阶段没有考虑到的问题。对开泥驳作为清淤疏浚工程的前端设备，它的研发设计也因此备受关注[2]。笔者针对一小型60 m3对开泥驳在实际作业中遇到的铰链臂撕裂问题开展了受力分析并进行了结构改进，优化了铰链系统，并结合有限元方法对改进后的结构强度进行了分析，得出了位移云图和应力云图。研究成果可为合理设计对开泥驳的铰链系统、提高泥驳的工作性能提供理论和现实依据。

1 对开泥驳工作原理

对开泥驳的基本工作原理如图1(a)。该驳船泥舱部分由纵向对称的两个半体组成，两半船体可以分别绕位于甲板上的两个绞链轴转动，以实现半体的打开和闭合，从而达到装卸泥沙的目的。当其承载疏浚泥沙时，两半船体闭合，其总重量为两个半边空船体的重量再加上泥舱所装载泥沙的重量之和。此时半体和舱内泥沙的重心位于浮心的内侧，重力比浮力更靠近驳船的纵舯剖面，从而产生一个向外张开的力矩。于是，在船体启闭液压油缸力矩和张开力矩的共同作用下，驳船的船体便张开抛泥。抛泥完毕后，驳船失去所载泥沙的重量，两半船体的重心也成为其总重心。如图1(b)，该重心位于浮心的外侧，重力比浮力更加远离驳船的纵舯剖面，所以产生使船体闭合的力矩，从而在船体启闭液压缸和该闭合力矩的作用下自动进行船体闭合[4]。

图1 结构及工作原理Fig. 1 Structure and working principle

2 铰链臂与铰链的结构型式分析

该60 m3对开泥驳仅布置一个开体液压缸，位于泥舱的液压缸舱内，通过液压缸铰链与铰链臂铰接，铰链臂焊接在主船体甲板上。甲板铰链位于泥舱两端的主甲板上，穿过主甲板与水密横舱壁相连，起着连接两个半船体的作用，用以实现半体的打开和闭合。甲板铰链与液压缸铰链的结构型式相似，通常由两块侧向立板与一块中间眼板，通过中间销轴连接组成，在销轴与眼板之间设置转动轴承，将液压缸力及外力传递到船体上[2]。

图2 原甲板铰链Fig. 2 Original deck hinge

图3 原铰链臂与液压缸Fig. 3 Original hinge arm and hydraulic cylinder

图4 原铰链布置Fig. 4 Original hinge layout

原对开泥驳甲板铰链和铰链臂为了便于安装和维护，不在同一个横断面上，铰链臂和铰链座由液压油缸铰接，与甲板铰链隔有一定距离，此结构设计为一个非静定结构，而且全船只有一个油缸，如图2～图4。这会导致油缸推、拉过程中对甲板铰链施加一个附加的剪切力，再加上首尾铰链在营运过程中很难保证完全对中，在船体开合过程中还会产生附加扭转运动，使得支座受力超过了它的极限强度，从而引起铰链臂撕裂。笔者对其进行改进，重新优化设计甲板铰链系统，将甲板铰链和铰链臂设计在同一横断面，成为整体式结构，且首尾各布置一个油缸，如图5～图7。

图5 优化设计后的铰链臂Fig. 5 Optimum design of hinge arm

图6 改进后的整体式结构Fig. 6 Improved integral structure

图7 改进后的铰链布置Fig. 7 Improved hinge layout

3 对开泥驳结构受力计算

对开泥驳结构的主要数据为：LOA=36 m，计算船长L=34 m，船宽B=6.8 m，型深D=1.8 m，设计吃水d=1 m,肋距S1=0.5 m，L/D=18.889，B/D=3.78，泥驳半体的受力分析如图8。

图8 泥驳半体受力分析Fig. 8 Force analysis diagram of mud barge half-body

图8中，d为相应工况下的吃水，d=1.0 m；a为船底密封装置的高度，a=0.5 m；LP为泥舱长度，lP=20 m；ρ为泥浆密度，ρ=2.25 t/m3；h1为最高载泥面至基线的高度，h1=1.80 m；h2为泥浆水平压力FS至铰链点的垂直距离，h2=0.95 m；h3为舷外静水压力FW至铰链点的垂直距离，h3=1.60 m；h4为液压装置水平力至铰链点的垂直距离，h4=1.20 m；h5为甲板铰链至基线的垂直距离，h5=2.10 m；Δ为载泥时半体的静水浮力，Δ=970 kN；WL为不载泥时半体的重力，WL=295 kN；WS为半体泥浆的重力，WS=675 kN；b1为Δ至铰链点的水平距离，b1=1.70 m；b2为WL至铰链点的水平距离，b2=2.10 m；b3为WS至铰链点的水平距离，b3=1.20 m。

泥浆水平压力：

FS=4.9ρ(h1-a)2LP=372.65 kN

泥舱范围内舷外静水压力：